Uma pesquisa liderada pelo Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge identificou um material que pode ajudar a lidar com a velocidade e a energia, os dois maiores desafios para os computadores do futuro.

A pesquisa no campo da computação baseada em luz - usando luz em vez de eletricidade para a computação ir além dos limites dos computadores de hoje - está se movendo rapidamente, mas as barreiras permanecem no desenvolvimento de comutação óptica, o processo pelo qual a luz seria facilmente ligada e desligada, refletindo ou transmitindo luz sob demanda.

O estudo, publicado em Nature Communications , mostra que um material conhecido como Ta ₂ NiSe ₅ poderia alternar entre uma janela e um espelho em um quatrilionésimo de segundo quando atingido por um curto pulso de laser, pavimentando o caminho para o desenvolvimento de comutação ultrarrápida em computadores do futuro.

O material se parece com um pedaço de grafite de lápis e age como um isolante em temperatura ambiente, o que significa que quando a luz infravermelha atinge o material neste estado de isolamento, passa direto como uma janela. Contudo, quando aquecido, o material se torna um metal que age como um espelho e reflete a luz.

"Nós sabíamos que Ta ₂ NiSe ₅ poderia alternar entre uma janela e um espelho quando fosse aquecido, mas aquecer um objeto é um processo muito lento, "disse o Dr. Akshay Rao, Professor da Harding University no Laboratório Cavendish, quem liderou a pesquisa. "O que nossos experimentos mostraram é que um pulso de laser curto também pode desencadear esse 'salto' em apenas 10 ^-15 segundos. Isso é um milhão de vezes mais rápido do que os interruptores em nossos computadores atuais. "

Os pesquisadores estavam analisando o comportamento do material para mostrar a existência de uma nova fase da matéria chamada de 'isolante excitônico', que tem sido experimentalmente desafiador de encontrar desde que foi teorizado pela primeira vez na década de 1960.

"Esta fase de isolamento excitônico se parece em muitos aspectos com um isolante muito normal, mas uma maneira de distinguir entre um isolante incomum e comum é ver exatamente quanto tempo leva para se tornar um metal, "disse Rao." Para assuntos normais, passar de um isolador a um metal é como derreter um cubo de gelo. Os próprios átomos movem posições e se reorganizam, tornando-o um processo lento. Mas em um isolante excitônico, isso pode acontecer muito rápido porque os próprios átomos não precisam se mover para alternar as fases. Se pudéssemos encontrar uma maneira de medir a rapidez com que essa transição ocorre, poderíamos potencialmente desmascarar o isolante excitônico. "

Para fazer esses experimentos, os pesquisadores usaram uma sequência de pulsos de laser muito curtos para primeiro perturbar o material e depois medir como sua reflexão mudou. Em temperatura ambiente, eles descobriram que quando Ta ₂ NiSe ₅ foi atingido por um forte pulso de laser, exibiu assinaturas do estado metálico imediatamente, tornando-se um espelho em uma escala de tempo mais rápido do que eles poderiam resolver. Isso forneceu fortes evidências da natureza de isolamento excitônico do Ta ₂ NiSe ₅ .

"Este trabalho não apenas remove a camuflagem do material, abrindo mais estudos sobre seu comportamento mecânico quântico incomum, também destaca a capacidade única deste material de atuar como um switch ultrarrápido, "disse a primeira autora Hope Bretscher, também do Laboratório Cavendish. "Na verdade, para que o interruptor óptico seja eficaz, não só deve passar rapidamente da fase isolante para a fase metálica, mas o processo reverso também deve ser rápido.

"Descobrimos que Ta ₂ NiSe ₅ voltou a um estado de isolamento rapidamente, muito mais rápido do que outros materiais de switch candidatos. Essa capacidade de ir do espelho, para a janela, espelhar novamente, torná-lo extremamente atraente para aplicativos de computação. "

"A ciência é um processo complicado e em evolução - e achamos que fomos capazes de levar esta discussão um passo à frente. Agora não só podemos entender melhor as propriedades deste material, mas também descobrimos uma aplicação potencial interessante para ele, "disse o co-autor Professor Ajay Sood, do Instituto Indiano de Ciência em Bangalore.

"Enquanto praticamente produzia interruptores quânticos com Ta ₂ NiSe ₅ ainda pode estar muito longe, ter identificado uma nova abordagem para o desafio crescente de velocidade e uso de energia do computador é um desenvolvimento empolgante, "disse Rao.